高 俊

中鐵六局集團天津鐵路建設(shè)有限公司 天津 300000

1 研究意義

由于地下瓦斯逸出可能導(dǎo)致施工人員中毒、燃燒甚至是爆炸事故發(fā)生，具有破壞力強、影響巨大的特點。一旦發(fā)生瓦斯事故，容易造成大量傷亡，伴隨而來的就是停工停產(chǎn)及巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失。因此，在施工過程中采取貼合現(xiàn)場實際、效果好的措施，確保過程中瓦斯安全穩(wěn)定，對高瓦斯超長引水隧洞順利施工具有深遠的經(jīng)濟效益和社會效益。

LXB供水工程C1#主洞通過項目調(diào)研、現(xiàn)場探測與監(jiān)測、理論分析、數(shù)值模擬等研究手段，分析瓦斯逸出機理、提出水工隧洞瓦斯處置方法，最終形成了水工高瓦斯深埋長隧洞施工關(guān)鍵技術(shù)研究。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，煤礦瓦斯災(zāi)害事故頻發(fā)，過去在修建隧道時，都盡可能采取避繞措施避開煤礦區(qū)，只有代價巨大時才不得不從煤田或煤系地層穿過。建國以來至1999年，我國修筑了18座瓦斯隧道，只占全國隧道總數(shù)的0.18%。隨著我國交通和水電工程的發(fā)展，在有煤層和瓦斯地區(qū)通過并修筑隧道的機會越來越多，穿越多個煤層、高瓦斯地區(qū)的隧道也不斷增加。據(jù)不完全統(tǒng)計，2000年至今，我國修建的瓦斯隧道已有140余座，其中長度3km以上隧道也有43座，大大超過了2000年以前修建的瓦斯隧道總數(shù)[1]。未來將有越來越多的隧道將穿越煤系地層。因此，仍需深入研究隧道施工中瓦斯相突出與防治關(guān)鍵技。加強研究施工過程中瓦斯突出的規(guī)律，對瓦斯災(zāi)害的預(yù)防治理具有深遠的意義。

3 工程背景

3.1 工程概況

LXB二期工程CY供水施工一標位于遼寧省境內(nèi)，隧洞為有壓引水隧洞，主支洞全長18742.87m。支洞開挖斷面為圓拱斜墻型，主洞開挖斷面為圓拱直墻型，襯砌后斷面為正圓形，直徑為3.9m。本標段共有C1#等5條支洞，總長度6486m,其中C1#支洞長度1632m，高差188m；主洞全長2090m。

3.2 瓦斯逸出

C1#支洞控制段上游2017年10月1日施工至樁號C3+122.7（距洞口1796米）掌子面開挖鉆孔過程時5個鉆孔瓦斯逸出并產(chǎn)生燃燒，施工暫停。2017年12月15日瓦斯燃燒火焰熄滅，持續(xù)燃燒76天。

3.3 地質(zhì)補勘

C1#主洞上游瓦斯逸出后勘測設(shè)計院先后進行了地質(zhì)測繪、地面垂直孔鉆探、洞內(nèi)水平鉆探、物探EH4測試、洞內(nèi)氣體取樣檢測、探孔內(nèi)氣體取樣檢測、洞內(nèi)滲油取樣檢測等相關(guān)工作。

（1）氣體成分分析

可燃氣體主要成分為O2、N2、CH4和CO2，平均含量O2占8.18%、N2占42.25%、CH4占49.28%和CO2占0.30%。

（2）補勘結(jié)論

工程區(qū)位于華北古陸東北部的金嶺寺—羊山盆地中部，盆地內(nèi)堆積了侏羅系和白堊系火山沉積地層，斷層和褶皺構(gòu)造發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育。斷裂構(gòu)造是瓦斯運移的主要通道。根據(jù)地層生成和沉積條件，工程區(qū)內(nèi)具備油層氣生、儲、蓋的條件。瓦斯氣體生層主要為侏羅系下統(tǒng)北票組地層的沉積巖，儲層主要為侏羅系上部沉積的砂巖、砂礫巖，蓋層為白堊系的火成巖[2]。

根據(jù)氣體成分及補勘結(jié)論，判定C1#支洞控制段上游為高瓦斯洞段，其中樁號C2+399～C3+123段為高瓦斯段，掌子面瓦斯涌出量最大值估算預(yù)測為0.72m3/min。其余段為低瓦斯段。

4 瓦斯逸出燃燒處理技術(shù)

根據(jù)洞內(nèi)瓦斯噴出燃燒和地質(zhì)勘探情況，采用加強洞內(nèi)通風(fēng)量，洞內(nèi)氣體監(jiān)測監(jiān)控、洞外打設(shè)豎直向下地質(zhì)探孔改移瓦斯氣體噴出通道，洞內(nèi)瓦斯噴出壓力、噴出量減小，瓦斯燃燒熄滅，然后對掌子面進行噴砼密封，對燃燒影響洞段重新進行加固支護，為下一步瓦斯洞段開挖創(chuàng)造了施工條件。

（1）洞口封閉管理，加強洞內(nèi)通風(fēng)：瓦斯噴出燃燒后施工停止，洞口封閉值守管理，嚴禁無關(guān)人員進入。加強洞內(nèi)通風(fēng)，配備備用發(fā)電機、備用通風(fēng)機，保持洞內(nèi)24小時不間斷通風(fēng)，使洞內(nèi)噴出瓦斯能夠充分燃燒，減少洞內(nèi)有毒有害氣體。

（2）洞內(nèi)氣體檢測監(jiān)控：成立洞內(nèi)瓦斯檢測小組，在支洞內(nèi)間隔200m、主洞間隔50m設(shè)置固定檢測點，洞內(nèi)拱頂懸掛瓦斯自動檢測報警傳感器，人工利用光干涉瓦斯測定儀和便攜式瓦檢儀，定頻次、定位置對隧道內(nèi)的氣體含量、溫度進行檢測，并形成記錄后進行計算分析。主洞靠近燃燒點位置安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，洞口值班室內(nèi)安裝顯示屏，并由專人24小時監(jiān)控洞內(nèi)情況。

（3）洞外打設(shè)地質(zhì)探孔：在瓦斯噴出燃燒的掌子面后方5m，距中心線右側(cè)5m位置，在洞外地面垂直向下打設(shè)地質(zhì)探孔，鉆孔直徑Φ90mm。鉆進過程中分段進行巖層取芯，對孔內(nèi)瓦斯氣體噴出量、噴出壓力進行監(jiān)測，當孔內(nèi)瓦斯噴出量較大，且有一定壓力時停止鉆進，在孔口安裝氣體監(jiān)測的流量計和壓力計，并進行安全防護，嚴禁煙火。

（4）瓦斯燃燒熄滅，掌子面封閉：通過在洞外打設(shè)地質(zhì)探孔，瓦斯噴出通道改變，掌子面噴出瓦斯量和壓力減弱，洞內(nèi)瓦斯燃燒逐漸熄滅。通過氣體檢測洞內(nèi)瓦斯?jié)舛葷M足施工作業(yè)條件后利用噴射混凝土C25W8對掌子面進行封閉，噴射厚度20cm,噴射混凝土中摻入氣密劑，透氣系數(shù)不大于1-10cm/s。

（5）燃燒影響洞段加固支護處理：掌子面封閉后對因瓦斯燃燒造成初噴、巖石開裂脫落洞段重新進行加固支護處理，加固支護采用錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴混。

5 高瓦斯洞段施工技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)補勘結(jié)果判定C1#主洞上游為高瓦斯工區(qū)，對遼寧省水利施工屬于首次，鐵路、公路行業(yè)瓦斯隧洞多屬于穿越煤線的煤生氣，瓦斯富集量較少，通過加強通風(fēng)、瓦斯監(jiān)測、分臺階開挖等施工措施可以解決瓦斯逸出危害，而對于油生氣，瓦斯大量富集噴出，國內(nèi)遇到甚少，沒有成熟的經(jīng)驗方法可以借鑒。在進行方案確定時先后咨詢了煤礦行業(yè)和鐵路行業(yè)瓦斯處理和專家，邀請瓦斯處置專家到現(xiàn)場進行指導(dǎo)，分別對瓦斯燃燒處理、隧洞通風(fēng)方式、瓦斯抽排方式、掘進開挖方法等進行了研討，確定瓦斯洞段專項施工方案。

瓦斯洞段施工前首先對臨時工程及施工輔助設(shè)施進行改造，完成并經(jīng)驗收合格后，組織進行瓦斯洞段主體施工。通過掌子面進行超前探孔，判定掌子面前方地質(zhì)情況以及瓦斯逸出量，并對瓦斯逸出量超過標準的洞段進行瓦斯抽排，局部瓦斯富集洞段沿掌子面輪廓線進行超前高壓預(yù)注漿，采取上述措施降低掌子面瓦斯?jié)舛?，滿足施工條件后進行隧洞掘進、支護、底板混凝土施工。

5.1 臨時工程及輔助設(shè)施改造技術(shù)

原施工用設(shè)施不能滿足瓦斯洞段的施工需求，需要對臨時工程及相應(yīng)的輔助設(shè)施進行重新改造并增設(shè)新設(shè)備。

（1）高瓦斯洞段通風(fēng)方式

高瓦斯隧洞支洞長1632m，支洞控制段上游長1292m，獨頭掘進最長距離達到2924m。為避免對上游施工造成干擾，暫停下游施工，并對下游進口處進行臨時封閉，實現(xiàn)獨頭掘進、通風(fēng)的目的。為達到瓦斯隧洞施工要求，考慮現(xiàn)場現(xiàn)有條件，對通風(fēng)進行專項計算，最終決定采用壓入式通風(fēng)，在支洞口20m位置安裝2臺壓入式軸流通風(fēng)機（75kW），并預(yù)留1臺備用，風(fēng)管采用Φ1.2m高性能抗靜電阻燃型，靠近通風(fēng)機50m范圍風(fēng)管內(nèi)安裝剛性骨架，風(fēng)管懸掛在拱頂，延伸至掌子面5m范圍；風(fēng)管末端20m為橡膠材質(zhì)，盡可能降低飛石對風(fēng)管造成的損害。達到壓入風(fēng)量與回風(fēng)量相等，實現(xiàn)通風(fēng)簡單、穩(wěn)定、可靠。對避車洞、調(diào)車洞等易于積聚瓦斯位置安裝10kW射流風(fēng)機增加排風(fēng)。

（2）特殊區(qū)域局部通風(fēng)

風(fēng)筒分支排放法。塌方處附近的風(fēng)筒上加“三通”或安設(shè)一段小直徑的分支內(nèi)筒，向空洞內(nèi)送風(fēng)，以排除積聚的瓦斯。

壓風(fēng)排除法。在高壓風(fēng)管上接出分支，并在支管上設(shè)若干個噴嘴，利用高壓風(fēng)將積聚的瓦斯排除。當掌子面發(fā)生塌方或涌水造成塌腔時，也可以采用此方法防止瓦斯積聚。

（3）布設(shè)瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

高瓦斯隧洞施工期間，設(shè)置瓦斯檢測系統(tǒng)，瓦斯檢測系統(tǒng)由瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)與人工檢測測系統(tǒng)組成，并作為施工工序管理，由現(xiàn)場負責人主管，采用瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速/風(fēng)量雙指標進行安全施工組織管理。

瓦斯隧洞瓦斯檢查員配備光干涉瓦斯檢測儀，班組長、掘進機司機、入洞檢查的管理人員應(yīng)配備便攜式瓦斯檢測儀；所有瓦斯隧洞都按規(guī)定安裝瓦斯自動檢測報警斷電系統(tǒng)，實行瓦斯電閉鎖。

監(jiān)控系統(tǒng)傳感器布置，主洞距開挖掌子面5m處布設(shè)甲烷傳感器3個（分別布設(shè)在拱頂及拱腰位置）；距開挖掌子面15m處布設(shè)甲烷傳感器1個；開挖洞段支洞每500m左右、主洞每200m左右拱頂下設(shè)甲烷傳感器1個。隨著隧洞不斷掘進傳感器同時前移增設(shè)。

（4）洞內(nèi)供電用電線路改裝

洞內(nèi)供電用電線路改裝主要包括防爆變壓器進洞安裝、高壓線路進洞鋪設(shè)連接、低壓線路鋪設(shè)連接、照明線路及防爆燈具連接安裝、防爆水泵安裝及線路連接。供電系統(tǒng)采用專用變壓器、專用開關(guān)、專用線路，高壓電纜選用10KV ZR-YJLV22 3*70，由洞外10kV電力線路T接至洞內(nèi)防爆變壓器KBSGZY-400/10/0.66/0.38，降壓為380V后，再由各防爆饋電開關(guān)及防爆電纜完成向各工點的供配電，固定敷設(shè)的電纜應(yīng)采用鎧裝聚氯乙烯電纜；移動式或手持式電氣設(shè)備的電纜，采用專用的不延燃橡套電纜；開挖面的電纜采用銅芯。

（5）施工機械設(shè)備改裝

施工機械設(shè)備改裝委托具有機械設(shè)備防爆改裝資質(zhì)的山西強力礦用設(shè)備制造有限公司進行改裝。設(shè)備改裝主要是對發(fā)動機尾氣進行處理，徹底消除排氣火焰，同時降低噴排氣溫度；對發(fā)動機溫度較高的部位用隔熱材料進行包裹，使其與外界隔離；改裝電器系統(tǒng)包括照明系統(tǒng)、啟動系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、蓄電池系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，以消除電器系統(tǒng)的明火與外界接觸的機會。

（6）增設(shè)洞外瓦斯抽排系統(tǒng)

瓦斯洞段開挖工作面達到瓦斯抽放條件后，在隧洞側(cè)壁打瓦斯抽放孔擴大洞室（鉆場），洞室寬3.5m，長4m，高2.5m，采用錨噴進行支護，左右布置間距25m。抽放孔采用ZDY1900S型全液壓鉆機，每次與洞軸線不同角度打設(shè)4個抽放孔，孔深50m，孔徑Φ94mm，抽放孔連接抽采管，抽采管選用內(nèi)徑Φ150mm的無縫鋼管，鋼管采用法蘭盤螺栓緊固連接，沿洞壁鋪設(shè)通過瓦斯抽放豎井延伸至洞頂外，與洞外設(shè)置瓦斯抽放泵站相連，泵站安裝2臺2BE1 253-0型水環(huán)真空瓦斯抽放泵（功率75kw、排氣量45m3/min，1臺備用），瓦斯泵的進、出氣端管道上設(shè)置防回火裝置、水封式防爆器，以及相應(yīng)的瓦斯抽放監(jiān)測裝置。泵房和放空管附近設(shè)置避雷裝置，防止雷擊造成引爆。詳見《C1#主洞瓦斯洞段瓦斯抽放方案》。

施工前在C1#主洞上游瓦斯揭露工作面后方50m處（C3+173）垂直于地面施工1個Φ0.8m瓦斯抽放豎井，終孔對應(yīng)隧洞頂拱部端，瓦斯抽放管路通過豎井進行洞內(nèi)和地面抽放泵站進行連接。豎井兩端10m采用鋼管進行防護，井口采用8mm鋼板對進行遮蓋封閉，同時四周設(shè)置高度不小于1.8m的防護柵欄，懸掛警示標志。井底采用Φ8@50×50mm鋼筋網(wǎng)進行防護，懸掛警示標示。

（7）應(yīng)急救援物資

修建洞口值班管理室共計120㎡，配備施工防護用品和應(yīng)急救援物資，包括礦燈、礦用安全帽、防毒面具、消防器材、隔絕式壓縮氧氣、隔絕式化學(xué)氧氣自救器、棉質(zhì)工作服。

5.2 施工專業(yè)隊伍配備

高瓦斯洞段施工因安全風(fēng)險高、施工難度大、資源投入大、專業(yè)化程度高組建1支自建型架子隊，配備煤礦施工和瓦斯處理專業(yè)人員，包括專業(yè)技術(shù)服務(wù)人員、瓦斯檢測人員、瓦斯抽排人員、專業(yè)電工。施工作業(yè)前組織全體管理人員及C1#洞施工作業(yè)人員進行了方案交底和安全技術(shù)培訓(xùn)交底，并組織進行瓦斯逸出事件應(yīng)急演練，提高了現(xiàn)場人員對突發(fā)事故的防范及應(yīng)急反應(yīng)自保互保能力，學(xué)會了正確使用防護設(shè)施。

5.3 瓦斯洞段施工過程控制技術(shù)

（1）ZK1地質(zhì)勘探孔瓦斯抽排情況

洞外瓦斯抽排系統(tǒng)對洞外ZK1地質(zhì)勘探孔進行抽排，施工準備階段抽排40次，瓦斯抽排時間共計6598min（109.97h），瓦斯抽排量為106556m3；開挖施工過程中共抽排61次，抽排時間6115min（101.9h），瓦斯抽排量為144034.6m3。

（2）超前地質(zhì)探孔施工

每循環(huán)開挖施工作業(yè)前在掌子面打設(shè)3個Φ108mm超前地質(zhì)探孔（孔長38m，每循環(huán)預(yù)留搭接10m），判斷掌子面前方瓦斯逸出情況和地質(zhì)圍巖情況。鉆孔過程中對瓦斯逸出量、圍巖鉆進速度進行了詳細記錄，推斷巖石變化情況、瓦斯逸出量及位置，目前已打設(shè)超前探孔8個循環(huán)，共計912m，孔內(nèi)瓦斯檢測濃度26%-0.3%。

（3）超前高壓預(yù)注漿

瓦斯富集洞段每循環(huán)根據(jù)掌子面超前地質(zhì)探孔及后方圍巖推測情況，利用超前探孔進行了掌子面超前高壓預(yù)注漿，共計注漿3個循環(huán)，注漿水泥55.55t。

（4）瓦斯洞段開挖掘進施工

瓦斯洞段超前地質(zhì)探孔、超前高壓預(yù)注漿完成，洞外ZK1地質(zhì)探孔瓦斯抽排濃度降低后，洞內(nèi)作業(yè)面瓦斯?jié)舛葯z測值滿足開挖施工條件后，進行開挖掘進施工。爆破開挖施工每循環(huán)增設(shè)5個長度5m孔徑Φ42mm短超前探孔，加強通風(fēng)管理，嚴格執(zhí)行“一炮三檢”，作業(yè)過程瓦檢員全程檢測，瓦斯抽排配合進行，爆破鉆眼孔內(nèi)CH4濃度65%-0.3%，作業(yè)面CH4濃度控制在0.08%-0.01%。施工圍巖巖性主要是火山角礫巖、玄安巖，巖石中有黃褐色油質(zhì)液體滲出。

6 技術(shù)應(yīng)用結(jié)果

LXB供水工程C1#主洞出現(xiàn)了瓦斯涌出、燃燒等災(zāi)害，燃燒歷時了76天。由于引水隧洞瓦斯逸出具有重度、燃燒甚至爆炸是爆炸威脅，具有破壞力強、影響巨大的特點，一旦發(fā)生，往往造成群死群傷，采取切實可行的措施，確保瓦斯防治安全，對高瓦斯深埋隧洞工程建設(shè)順利進行具有深遠的經(jīng)濟和政治意義。

7 結(jié)語

制定早預(yù)報、適排放、勤監(jiān)測、禁火源、強通風(fēng)、控濃度、快支護、早封閉瓦斯隧洞施工原則和具體施工流程?；诔疤綔y、實時監(jiān)測（檢測）、合理抽排、注漿封堵的思想，提出了超前預(yù)探-瓦斯抽放-高壓注漿孔隙封堵瓦斯聯(lián)合處置方法，結(jié)合測取瓦斯數(shù)據(jù)，確定了優(yōu)化瓦斯洞段開挖、支護施工方案，形成了高瓦斯深埋長隧洞“探-測-排-堵”成套關(guān)鍵施工技術(shù)。實踐表明，該成套關(guān)鍵技術(shù)有效解決了高瓦斯深埋長隧洞的安全施工問題，保質(zhì)保量的完成了施工任務(wù)。